(57)【要約】【課題】光源として複数の固体発光素子を使用した投射型表示装置において、ライトバルブ等の画像形成素子へ均一に光を照射することのできる投射型表示装置を提供する。【解決手段】２次元に配置された複数の発光素子からの光を、レンズアレイを使用してコリメートし、コリメートされた各発光素子からの光を集光レンズでロッドインテグレータの入射面に集光する。ロッドインテグレータに入射した光は、ロッドインテグレータの側面で多重反射され、射出面から射出された後、ライトバルブに入射し、変調される。変調された光は、投射レンズでスクリーン上に投射される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子と、
前記複数の発光素子から射出される光を集光する集光レンズと、
前記発光素子から射出される光が前記集光レンズによって集光される位置に入射面を有するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから射出された光を変調するライトバルブと、
前記ライトバルブから射出された変調光を投射する投射レンズとを備えること
を特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
前記複数の発光素子は２次元に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置
【請求項３】
前記発光素子に対応した複数のレンズを備え、前記発光素子から射出される光をコリメートするレンズアレイを有すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
【請求項４】
前記ロッドインテグレータから射出される光をコリメートする焦点距離ｆ１の第１照明レンズと、
焦点距離ｆ２を有し、前記第1照明レンズからｆ１+ｆ２の距離に配置される第２照明レンズとを有し、
前記ライトバルブは第２照明レンズからｆ２の距離に配置されていること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の投射型表示装置。
【請求項５】
前記第１照明レンズと前記第２照明レンズとの間に配置され、入射光を偏光した光に変換する偏光変換装置を有すること
を特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
【請求項６】
前記偏光変換装置は、前記ロッドインテグレータの長さをＬ、屈折率をｎとすると、前記第１照明レンズからｆ１・（１＋ｎ・ｆ１／Ｌ）の距離近傍に配置されていること
を特徴とする請求項５に記載の投射型表示装置。
【請求項７】
前記偏光変換装置は、光軸に対して斜めに配置した複数の偏光分離面と、前記複数の偏光分離面の間に前記複数の偏光分離面に平行に配置された反射面と、前記偏光分離面の透過光の射出面または前記反射面の反射光の射出面に配置された１／２波長位相板とを有し、
前記ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面は、１辺の長さがＡ、他の1辺の長さがＢの長方形または正方形で、
前記複数の偏光分離面は、前記複数の偏光分離面を透過するＰ偏光の偏光面が前記ロッドインテグレータの前記１辺と平行になるように配置され、
前記複数の偏光分離面はＡ・（ｎ・ｆ１／Ｌ）の間隔で配置されていること
を特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。
【請求項８】
前記偏光変換装置は、光軸に対して斜めに配置した複数の偏光分離面と、前記複数の偏光分離面の間に前記複数の偏光分離面に平行に配置された反射面と、前記偏光分離面の透過光の射出面または前記反射面の反射光の射出面に配置された１／２波長位相板とを有し、
前記ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面は１辺の長さがＡ、他の1辺の長さがＢの長方形または正方形で、
前記複数の偏光分離面は、前記複数の偏光分離面を透過するＰ偏光の偏光面が前記ロッドインテグレータの前記他の１辺と平行になるように配置され、
前記複数の偏光分離面はＢ・（ｎ・ｆ１／Ｌ）の間隔で配置されていること
を特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。
【請求項９】
前記集光レンズはＦ１のＦ値を有し、
前記投射レンズはＦ１・（ｆ２／ｆ１）のＦ値を有すること
を特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載された投射型表示装置。  
【請求項１０】
２枚のレンズを有する前記第２照明レンズと、
前記複数の発光素子からの光を色分解する前記２枚のレンズの間に配置された色分解光学系とを有すること、
を特徴とする請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
【請求項１１】
前記ライトバルブは、前記投写レンズに配置された開口絞りで規定される主光線がテレセントリックの位置に配置されていること
を特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
【請求項１２】
前記複数の発光素子は、
前記複数の発光素子の全光量に対して、５％から１０％の光量を射出する複数の青色発光ダイオードと、
前記複数の発光素子の全光量に対して、１０％から２０％の光量を射出する複数の赤色発光ダイオードと、
前記複数の発光素子の全光量に対して、少なくとも７０％の光量を射出する複数の緑色発光ダイオードとを有すること
を特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の発光ダイオード等の固体素子を照明光源として用いる投射型表示装置が知られている。この投射型表示装置では、複数の発光ダイオードをマトリクス形状に配置し、複数のレンズをマトリクス形状に配置した第１レンズ板と第２レンズ板とから構成されるインテグレータに発光ダイオードから射出される光を入射させた後、ライトバルブなどの画像形成素子に入射して変調し、投射レンズでスクリーン上に投射する。
【特許文献１】特開２００１−２８１７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の投射型表示装置では第１レンズ板と第２レンズ板とからなるインテグレータを用いているが、個々の固体素子における発光輝度分布のむらが大きいためにライトバルブに照射される光の強度にむらが生じてしまうという問題がある。
本発明は光源として複数の固体発光素子を使用した投射型表示装置において、ライトバルブ等の画像形成素子へ均一に光を照射することのできる投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る発明は、複数の発光素子と、前記複数の発光素子から射出される光を集光する集光レンズと、前記発光素子から射出される光が前記集光レンズによって集光される位置に入射面を有するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから射出された光を変調するライトバルブと、前記ライトバルブから射出された変調光を投射する投射レンズとを備えることを特徴とする投射型表示装置を提供する。
請求項２に係る発明は、前記複数の発光素子は２次元に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置を提供する。
【０００５】
請求項３に係る発明は、前記発光素子に対応した複数のレンズを備え、前記発光素子から射出される光をコリメートするレンズアレイを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
【０００６】
請求項４に係る発明は、前記ロッドインテグレータから射出される光をコリメートする焦点距離ｆ１の第１照明レンズと、焦点距離ｆ２を有し、前記第1照明レンズからｆ１+ｆ２の距離に配置される第２照明レンズとを有し、前記ライトバルブは第２照明レンズからｆ２の距離に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の投射型表示装置を提供する。
【０００７】
請求項５に係る発明は、前記第１照明レンズと前記第２照明レンズとの間に配置され、入射光を偏光した光に変換する偏光変換装置を有することを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置を提供する。
【０００８】
請求項６に係る発明は、前記偏光変換装置は、前記ロッドインテグレータの長さをＬ、屈折率をｎとすると、前記第１照明レンズからｆ１・（１＋ｎ・ｆ１／Ｌ）の距離近傍に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の投射型表示装置を提供する。
【０００９】
請求項７に係る発明は、前記偏光変換装置は、光軸に対して斜めに配置した複数の偏光分離面と、前記複数の偏光分離面の間に前記複数の偏光分離面に平行に配置された反射面と、前記偏光分離面の透過光の射出面または前記反射面の反射光の射出面に配置された１／２波長位相板とを有し、前記ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面は、１辺の長さがＡ、他の1辺の長さがＢの長方形または正方形で、前記複数の偏光分離面は、前記複数の偏光分離面を透過するＰ偏光の偏光面が前記ロッドインテグレータの前記１辺と平行になるように配置され、前記複数の偏光分離面はＡ・（ｎ・ｆ１／Ｌ）の間隔で配置されていることを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置を提供する。
請求項８に記載された発明は、前記偏光変換装置は、光軸に対して斜めに配置した複数の偏光分離面と、前記複数の偏光分離面の間に前記複数の偏光分離面に平行に配置された反射面と、前記偏光分離面の透過光の射出面または前記反射面の反射光の射出面に配置された１／２波長位相板とを有し、前記ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面は１辺の長さがＡ、他の1辺の長さがＢの長方形または正方形で、前記複数の偏光分離面は、前記複数の偏光分離面を透過するＰ偏光の偏光面が前記ロッドインテグレータの前記他の１辺と平行になるように配置され、前記複数の偏光分離面はＢ・（ｎ・ｆ１／Ｌ）の間隔で配置されていることを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置を提供する。
請求項９に係る発明は、前記集光レンズはＦ１のＦ値を有し、前記投射レンズはＦ１・（ｆ２／ｆ１）のＦ値を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載された投射型表示装置を提供する。
請求項１０に係る発明は、２枚のレンズを有する前記第２照明レンズと、前記複数の発光素子からの光を色分解する前記２枚のレンズの間に配置された色分解光学系とを有すること、を特徴とする請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の投射型表示装置を提供する。
【００１０】
請求項１１に係る発明は、前記ライトバルブは、前記投写レンズに配置された開口絞りで規定される主光線がテレセントリックの位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の投射型表示装置を提供する。
【００１１】
請求項１２に係る発明は、前記複数の発光素子は、前記複数の発光素子の全光量に対して、５％から１０％の光量を射出する複数の青色発光ダイオードと、前記複数の発光素子の全光量に対して、１０％から２０％の光量を射出する複数の赤色発光ダイオードと、前記複数の発光素子の全光量に対して、少なくとも７０％の光量を射出する複数の緑色発光ダイオードとを有することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の投射型表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は光源として複数の固体発光素子を使用した投射型表示装置において、ライトバルブ等の画像形成素子へ均一に光を照射することのできる投射型表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１に本発明の投射型表示装置の構成を示す。図１中に示すように互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義する。なおＸ軸は紙面に垂直で、下から上に向かう方向が正方向である。
本実施形態の投射型表示装置は光源１１、レンズアレイ１２、集光レンズ１３、ロッドインテグレータ１４、第１照明レンズ１５、偏光変換部材１６、第２照明レンズ１７からなる照明光学系と、ライトバルブ１８、投射レンズ１９とから構成されている。
【００１４】
光源１１は、複数の発光ダイオードをアレイ状に配置したもので、各発光ダイオードからの光はＺ軸方向に射出される。発光ダイオードの発光面は、ＸＹ平面に平行になるように配置されている。なお図１では、光源１１のＹＺ平面での断面での発光ダイオードの配置を示しており、Ｘ軸方向にも同様に発光ダイオードが配置されている。図１に示す光源１１では青色発光ダイオード１１Ｂ、赤色発光ダイオード１１Ｒ、緑色発光ダイオード１１Ｇを複数直線的に配置したものを示す。すべての発光ダイオードからの全光量に対して各色ごとの光量が、青は５〜１０％、赤は１０〜２０％、緑は７０〜８５％となるような数だけ各色の発光ダイオードが配置されている。光量の比率をこのようにすると白色を表示の際に、人間の目で見て、最も自然に感じられる白色が得られる。
なお、光学薄膜やライトバルブの角度依存性を考慮し、各色の発光ダイオードをアレイ内に偏りなく配置する。また発光ダイオードの配置は、マトリックス状に限らず、同心円状に配置したり、蜂の巣状に配置しても構わない。同心円状に配置する場合には、円周上に各色の発光ダイオードを偏りなく配置するのが好ましい。
【００１５】
発光ダイオードの発光部の前面には、各発光ダイオードに対応して平面的にレンズ１２ａをマトリクス形状に配置したレンズアレイ１２が配置されている。各色の発光ダイオードから射出した各色光は、レンズアレイ１２の個々の発光ダイオードに対応した各レンズ１２ａに入射し、ほぼ平行な光束になり光軸に平行に射出される。レンズアレイ１２から射出された光は、集光レンズ１３に入射し、集光レンズ１３の焦点位置に入射面が配置されたロッドインテグレータ１４に入射する。入射面では個々の発光ダイオードにおける光源部の像が重ね合わされて形成された光点ができている。そしてロッドインテグレータ１４に入射する際のＦ値はＦ１であり、このＦ１は光軸と入射光束の最外縁光線のなす角度をθ１とすると、
Ｆ１＝１／（２×ｓｉｎ（θ１））      （１）
である。なお本実施形態の場合Ｆ１が約１．５のレンズを使用しているが、これに限られるわけではない。
【００１６】
ロッドインテグレータ１４はＸ方向に長さＡ、Ｙ方向に長さＢ、Ｚ方向に長さがＬの直方体で、屈折率がｎのガラス部材から構成されている。ロッドインテグレータ１４のＸ方向の両端が入射面と射出面である。入射面と射出面の形状は、後述するライトバルブの被照明部の形状をほぼ縮小した形状になっている。
【００１７】
ロッドインテグレータ１４に入射した光は、ガラスの屈折率ｎによって、ロッドインテグレータ内部でさらに大きなＦ値を有する拡散光束になり、側面で複数回反射されて進行し、射出面からＦ値としてＦ１の広がりを持った光束として射出される。このため射出面は強度がほぼ均一な平面光源となる。なおロッドインテグレータ１４内部でのＦ値はＦ２＝ｎ・Ｆ１で、最も広がった光とＺ軸とがなす角度をθ２とすると、
ｓｉｎ（θ２）＝１／（２・Ｆ２）      （２）
である。
【００１８】
ロッドインテグレータ１４から射出した光は、第１照明レンズ１５に入射する。第１照明レンズ１５は焦点距離ｆ１を有し、ロッドインテグレータ１４の射出面からｆ１の距離に配置されている。第１照明レンズを射出した光は、第１照明レンズ１５から距離Ｓの近傍に配置された偏光変換装置１６に入射して直線偏光に変換される。距離Ｓの付近では、図２のように、ＸＹ平面と平行な面上に複数の光点が形成されている。
偏光変換装置１６を射出した光は、焦点距離がｆ２で、第１照明レンズ１５からｆ１＋ｆ２の距離に配置された第２照明レンズ１７に入射した後、第２照明レンズ１７からｆ２の距離に配置されたライトバルブ１８に入射する。ライトバルブ１８に入射した光は変調されて射出し、不図示の偏光子で変調光が検光された後、投射レンズ１９によって不図示のスクリーン上に投射される。
【００１９】
ここで偏光変換装置１６の構造と配置する位置について説明する。図３に偏光変換装置１６の斜視図を示す。偏光分離部１６Ｐは光軸に４５度をなすようにＹ軸方向に配置されている。反射層１６Ｒは、偏光分離部１６Ｐと平行に配置され、そのＸ軸方向の中心間の距離は、Ｘ１／２の距離（Ｘ１については後述する）であり、反射層１６Ｒと偏光分離部１６Ｐとは交互に配置されている。反射層１６Ｒと偏光分離部１６Ｐとは、図２に示すＸ軸方向の光点の数（図２においては５個）と同じ数だけそれぞれ配置されている。偏光分離部１６Ｐを透過する光の射出面には、１／２波長位相板が配置されている。
最も効率よく偏光変換装置１６を通過させるためには、各偏光分離部１６Ｐへ集光した状態で光を入射させればよい。すなわち各偏光分離部１６Ｐで、光点が形成されていることが好ましい。そのために偏光変換装置１６は、複数の光点が形成される第１照明レンズ１５から距離Ｓの付近に配置することが好ましい。
次に、図２を参照しながら第１照明レンズ１５から距離Ｓの付近に複数の光点が形成される理由について説明する。図２は第１照明レンズ１５から距離Ｓの付近のＸＹ断面での複数の光点を示す図である。ロッドインテグレータ１４の入射面には光源１１からの光が集光され光スポットを形成している。ロッドインテグレータ１４の射出面から入射面方向を見た場合、入射面の光軸上に光源１１からの光が集光された光点の実像と、その像がロッドインテグレータ１４の内部で多重反射されてできた入射面上の光点の虚像とが、碁盤の目状に並んで見える。これらの実像と虚像は、第１照明レンズ１５からの距離Ｓの付近で再び碁盤の目状に並んだ光点として結像される。以下この理由を説明する。
焦点距離ｆのレンズから物体までの空気換算距離をａとすると、その物体の像が形成される位置までのレンズからの空気換算距離ｂは、
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ                        （３）
となることは一般に知られている。本実施形態においては、像はロッドインテグレータ１４の入射面の光点であり、ａはａ＝ｆ１＋（Ｌ／ｎ）、ｂはＳであるから、（３）式に代入し、
１／（ｆ１＋（Ｌ／ｎ））＋１／Ｓ＝１／ｆ１      （４）
となる。（４）式から
Ｓ＝ｆ１・（１＋（ｎ・ｆ１／Ｌ））                （５）
となり、第１照明レンズ１５からＳだけ離れた位置に、ロッドインテグレータ１４の入射面の光点の像が形成される。
なお、第１照明レンズ１５による結像倍率はｂ／ａ＝Ｓ／ａであるから、
Ｓ／ａ＝｛ｆ１・（１＋（ｎ・ｆ１／Ｌ））｝／｛ｆ１＋（Ｌ／ｎ）｝
＝  ｎ・ｆ１／Ｌ                          （６）
である。
【００２０】
次に、第１照明レンズ１５からＳだけ離れた位置での光点の配置について説明する。インテグレータ１４に入射した光は、インテグレータ１４の内部では、Ｆ２のＦ値で広がりながら進行する。この広がりを持って進行するとインテグレータ１４の入射面から距離Ｌの位置（射出面）での入射面と平行な断面での光束の形状は半径Ｌ・ｔａｎ（θ２）の円となる。しかし実際にはインテグレータ１４の側面で反射を繰り返すため、光束は広がらない。インテグレータ１４の側面で反射した場合には、入射面においてあたかもその反射点の延長線上に光点があるのと同等の効果を有する。
この場合ロッドインテグレータ１４の断面は、Ｘ方向がＡ、Ｙ方向がＢの長方形なので、半径Ｌ・ｔａｎ（θ２）の円に配置できる長方形の数が光点の数になる。上記した円の中心にはインテグレータ１４の入射面に対応する一つの長方形があり（図２に斜線で示す）、この長方形を中心として、Ｘ軸方向には間隔Ａで、Ｙ軸方向には間隔Ｂで長方形が並び、その長方形の中心に光点が存在する（長方形を図２の点線で示す）。すなわち上記した円の中心に光点があり、この光点を中心として、Ｘ軸方向には間隔Ａで、Ｙ軸方向には間隔Ｂで光点が並ぶ。完全に上記円の外側に出てしまった長方形の光点からの光は入射しないから、上記円にかかるか、または内側に存在する長方形内の光点からの光が照明される。
上記円内に存在する光点の数は、（Ｌ・ｔａｎθ２）／Ａ  の整数部をｍｘ、（Ｌ・ｔａｎθ２）／Ｂ  の整数部をｍｙとすると、Ｘ軸上には、３＋２・ｍｘ  個、Ｙ軸上には、３＋２・ｍｙ個の長方形が並び、これはＸ軸上、Ｙ軸上での光点の数に相当する。この光源は図２に示すように、第１照明レンズ１５からＳの距離の位置に、ＸＹ平面に平行な面上に配列される。各光点のＸ軸方向における間隔Ｘ１、Ｙ軸方向の間隔Ｙ１は、第１照明レンズ１５によって結像倍率（ｎ・ｆ１／Ｌ）がかかるため、Ｘ１＝Ａ（ｎ・ｆ１／Ｌ）、Ｙ１＝Ｂ（ｎ・ｆ１／Ｌ）
となる。
次にこれらの光点を、偏光変換装置１６の偏光分離部１６Ｐに配置する。すなわち偏光変換装置１６の偏光分離部１６Ｐの数と間隔とを、上記した光点の数と間隔とにあわせればよい。偏光分離部１６Ｐの偏光分離面を光軸に対して４５度で、ＸＺ平面に垂直に配置する場合、すなわち偏光分離面への入射面に平行な方向に偏光したＰ偏光の偏光面をロッドインテグレータ１４のＸ軸方向と平行に配置する場合には、隣り合った偏光分離部１６の間隔をＡ（ｎ・ｆ１／Ｌ）とする。
また偏光分離面を、光軸に対して４５度で、ＹＺ平面に垂直に配置する場合、すなわち偏光分離面への入射面に平行な方向に偏光したＰ偏光の偏光面をロッドインテグレータ１４のＹ軸方向とを平行に配置する場合には、隣り合った偏光分離部１６の間隔をＢ（ｎ・ｆ１／Ｌ）とする。
このように配置することによって、図２に示した光点は、偏光変換部１６Ｐの付近に形成され、この光点からの光は全て偏光変換部１６Ｐに入射し、反射するＳ偏光と透過するＰ偏光に分離される。偏光変換部１６Ｐを透過した偏光の光は、１／２波長板１６ＷでＳ偏光に変換された後、射出される。偏光変換部１６Ｐで反射された偏光の光は、隣接する反射層１６Ｒに入射し、反射されて偏光変換部１６Ｐを透過した光と同じ方向に射出される。従って全ての射出光はＳ偏光に変換される。なおＳ偏光とは、図３においてその振動方向がＹ軸に平行な方向を有する偏光である。
【００２１】
偏光変換装置１６によって偏光変換された光は、第２照明レンズ１７を経てライトバルブ１８に入射する。本実施形態で使用するライトバルブ１８は、１個の透過型ライトバルブである。透過型ライトバルブには、入射面側にＳ偏光を透過し、Ｐ偏光を吸収する偏光子を配置し、射出面側には偏光されたＰ偏光を透過し、非変調光のＳ偏光を吸収する偏光子を配置している。本実施形態で使用するライトバルブは１個なので、光源１１はＢ光、Ｇ光、Ｒ光の発光ダイオードをそれぞれ時系列で順次発光する構成とし、ライトバルブ１８においては、時系列に入射する各色光に応じた変調信号で変調する。変調された光は順次投射レンズ１９に入射し、投射される。それぞれの色光を高速で点灯させ時系列に投射するため、投射像は人間の目で見るとカラーの像として認識される。
【００２２】
投射レンズ１９の内部には、ライトバルブ１９からの光のＦ値を決定する開口絞り（不図示）がある。投射レンズ１９から光路を逆にたどり、投射レンズに対する各部品の配置を説明する。図１に実線で示すように、ライトバルブ１８の両端部から射出する３本の光のまん中の光は、投射レンズ１９の開口絞りの中央部を通過する主光線（図１に点線で示す）であり、他の２本はそれぞれ開口絞りで決まるＦ値を有し、広がる光線を示している。投射レンズ１９はライトバルブ１８側にテレセントリックな構成なので、ライトバルブ１８と投射レンズ１９の間では主光線は光軸に平行になっている。
【００２３】
図１に示すように、ライトバルブ１８から第２照明レンズまでの距離はｆ２で、第１照明レンズ１５と第２照明レンズ１７は距離ｆ１＋ｆ２だけ離れて配置され、第１照明レンズとロッドインテグレータ１４の射出面までの距離はｆ１なので、第１照明レンズ１５と第２照明レンズ１７との間の光路では、投射レンズ１９の開口絞りによって決定される開口数を有するライトバルブ１８の両端の光は、略平行な光線となり、インテグレータ１４の射出面の両端にそれぞれ集光する。
なおロッドインテグレータ１４の入射面へ集光レンズ１３が集光する光のＦ値をＦ１としたとき、投射レンズ１９のＦ値としてＦ＝Ｆ１（ｆ２／ｆ１）のものを用いると、光の伝達効率と製品コストとの点で最も無駄のない投射光学系を構成することができる。例えば投射レンズのＦ値がＦ１（ｆ２／ｆ１）より大きいと、すべての照明光が投写レンズ１９の絞りに入射せずに、光束周辺部の光は絞りで遮られてしまい光の伝達効率が落ちて暗くなってしまう。またＦ値がＦ１（ｆ２／ｆ１）より小さい場合には、投射レンズ１９の絞りよりも照明光が入射する範囲小さくなってしまい、投射レンズ径に無駄が出てしまう。従って不必要に大きなレンズを用いていることになり、製品コストに無駄が生じてしまう。
【００２４】
以上の説明のように本実施形態においては、発光ダイオードを束にした光源１１を使用した場合に、個々の発光ダイオードからの明るさの違う光を、それぞれ平行光束に変換した後、集光レンズ１３でロッドインテグレータ１４の入射面上にほぼ一点に集光して入射し、ロッドインテグレータ１４の内部で複数回の内部反射をした光をライトバルブ１８に入射させる構成である。ロッドインテグレータ１４の射出面は輝度の均一な平面光源とみなすことができるので、照明光として均一な光を使用することができる。
【００２５】
さらに、ロッドインテグレータ１４とライトバルブ１７の間には焦点距離ｆ１の第１照明レンズ１５と焦点距離ｆ２の第２照明レンズ１７を図１に示すように配置している。従ってテレセントリックな位置にライトバルブを配置することが可能となり、ライトバルブの均一照明と投射像の均一性を確保することができる。また第１照明レンズ１５と第２照明レンズ１７との間の所定の位置に偏光変換装置１６を配置すれば、光源からの光を単一の偏光方向を持った光に変換することができ、高輝度の単一偏光でライトバルブ１８を照明し、高輝度の投射像を形成することができる。
【００２６】
なお、本実施形態のロッドインテグレータ１４は、屈折率ｎのガラスから構成したが、中空のパイプをインテグレータとして使用しても同様の照明を売ることができる。ただし、この場合には本実施形態の各式において屈折率ｎを１として扱う。
【００２７】
また、図３に示す偏光変換装置１６は、偏光分離部１６Ｐでの透過光によって決まるＰ偏光面の方向をＸＺ面と平行な方向としたが、光軸を中心に全体を９０度回転させてＹＺ面に平行な方向にしても構わない。その際には、隣り合った偏光分離部Ｐの間隔は図２のＹ１となるようにして各光点からの光を偏光分離部１６Ｐに入射させる構成とすればよい。例えば図２の場合には、偏光分離部１６Ｐと反射層１６Ｒとを間隔Ｙ１でＹ軸に平行な方向に７個配置すればよい。さらに偏光変換装置１６からの射出光の偏光方向を図３の場合の偏光方向と同じにする場合には、１／２波長位相板は偏光変換部１６Ｐの透過光射出面ではなく、反射層１６Ｒの反射光射出面に配置すればよい。
（第２実施形態）
図４に第２実施形態の投射型表示装置の構成図を示す。ライトバルブ８として反射型ライトバルブを使用している点が、第１の実施形態とは異なる。複数の発光ダイオードをアレイ状に配置した光源１１と、レンズアレイ１２、集光レンズ１３の配置、ロッドインテグレータ１４、第１照明レンズ１５、偏光変換装置１６、第２照明レンズ１７の配置は第１実施形態と同じである。第２照明レンズ１７を射出した光は、偏光ビームスプリッタ２１に入射し、偏光分離部２１Ｐで反射して射出し、第２照明レンズから焦点距離ｆ２だけ離れた位置に配置された反射型ライトバルブ８に入射する。各色の光は反射型ライトバルブ８に時系列で入射し、各色光の色信号によって変調作用を受け、反射して射出する。反射型ライトバルブ８を射出した光は、再度偏光ビームスプリッタ２１に入射し、偏光分離部を透過する変調光を、検光光として取りだす。検光光は投射レンズ１９に入射し、不図示のスクリーン上に投射される。
第１実施形態と同様に、投射レンズ１９の内部の開口絞りによって決まる主光線は反射型ライトバルブ８と第２照明レンズ１７の間の光路ではテレセントリックである。複数の発光ダイオードをアレイ状にして配置した光源１１と、レンズアレイ１２、集光レンズ１３の配置、ロッドインテグレータ１４を使用することによって、第１実施形態と同様に反射型ライトバルブ８へ均一な光を照射することができ、さらにスクリーン上に均一な光を投射することができる。
（第３実施形態）
図５は第３実施形態に係る投射型表示装置の構成図である。本実施形態の投射型表示装置は、集光レンズ１３とロッドインテグレータ１４の間に時系列色分解光学系２０を配置した点が、第１実施形態の投射型表示装置と異なる。第１実施形態では、光源１１を構成する複数の発光ダイオードを各色毎に時系列に発光させる構成としたが、本実施形態においては全ての色の発光ダイオードを発光させ、集光レンズ１３を経てロッドインテグレータ１４の入射面に集光する構成とした。
光源１１からは白色光が射出されるが、集光レンズ１３とロッドインテグレータ１４の入射面との間に時系列色分解光学系２０を配置し、白色光を時系列にＲ光、Ｇ光、Ｂ光に色分解する。時系列色分解光学系２０は、円盤状の基板を３分割し、例えばそれぞれＲ色光透過のダイクロイック膜、Ｇ光透過ダイクロイック膜、Ｂ光透過ダイクロイック膜を配置し、この基板を光軸Ｏ’を中心にして回転させるもので、これにより時系列でＲ光、Ｇ光、Ｂ光を射出することができる。なお、透過光色の組合せは、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に限らず、マゼンタ光、シアン光、黄色光などを組み合わせでもよい。
ロッドインテグレータ１４に時系列に入射する各色光は、時系列に射出面から各色光を射出し、第１照明レンズ１５、偏光変換装置１６、第２照明レンズ１７を経てライトバルブ１８を均一に照明し、投射レンズ１９を経て不図示のスクリーン上に均一な投射像を形成する。
（第４実施形態）
図６は第４実施形態にかかる投射型表示装置の構成図である。本実施形態の投射型表示装置は、図１、図４に示した投射型表示装置の照明装置を複数使用したものである。図１または図４に示した投射型表示装置の照明装置は、光源１１、レンズアレイ１２、集光レンズ１３、ロッドインテグレータ１４、第１照明レンズ１５、偏光変換装置１６、第２照明レンズ１７から構成される。
図６に示す照明装置１Ｒは、上記の照明装置の光源１１の発光ダイードを全てＲ光を射出する発光ダイオードとしたものであり、照明装置１Ｇは光源１１をＧ光を射出する発光ダイオードとしたものであり、照明装置１Ｇは、光源１１をＢ光を射出する発光ダイオードとしたものである。
各色光用の照明装置１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから射出される各色光は、それぞれ偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射し、偏光分離部で反射されて反射型ライトバルブ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂに入射する。反射型ライトバルブ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂで各色光用の色信号によって変調された光は、反射射出し、再度偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射する。変調された光を偏光分離部を透過する検光光して取りだし、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２２のそれぞれ異なる入射面から入射する。クロスダイクロイックプリズム２２に入射した各色光は、内部に直交して配置されたＲ光反射ダイクロイック膜２２ＲとＢ光反射ダイクロイック膜２２Ｂによって色合成される。色合成された光は、、投射レンズ１９に入射し、不図示のスクリーン上に投射される。
【００２８】
本実施形態の投射型表示装置においても、ライトバルブへの入射光を均一にすることができ、また投射像として色ムラのない優れた投射像を投射することが可能となる。
本実施形態では反射型ライトバルブを使用しているが、透過型ライトバルブを使用しても構わない。その場合は、クロスダイクロイックプリズム２２の各色光の入射面近傍に各色光用の透過型ライトバルブをそれぞれ偏光分離用と検光用の偏光板で挟み込んで配置する。なお透過型ライトバルブを使用する場合は、偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは必要ない。また照明装置１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、透過型ライトバルブに入射するように配置すればよい。
（第５実施形態）
図７に第５実施形態に係る投射型表示装置の構成図を示す。本実施形態では、図１における照明光学系の第２照明レンズ１７を、焦点距離ｆ３のレンズ１７−１と焦点距離ｆ４のレンズ１７−２の２つのレンズに分けている。レンズ１７−１、１７−２は距離ｄだけ離れて配置するが、その場合の合成焦点距離は、図１の第２照明レンズ１７の焦点距離ｆ２と等しくなるように構成する。つまり、
（１／ｆ３）＋（１／ｆ４）−ｄ／（ｆ３・ｆ４）＝１／ｆ２    （７）
となるようにｆ３とｆ４とｄと設定する。
２つのレンズ１７−１と１７−２を第１照明レンズ１５から投射レンズ１９への主光線がレンズ１７−２とライトバルブとの間の光路においてテレセントリックとなるように配置する。
【００２９】
本実施形態の投射型表示装置においては、第１実施形態の投射型表示装置と同様にライトバルブ１８への均一な照明と、ムラのない均一な投射像を投射することが可能である。
（第６実施形態）
図８に第６実施形態に係る投射型表示装置の構成図を示す。本実施形態の投射型表示装置は光源１１、レンズアレイ１２、集光レンズ１３、ロッドインテグレータ１４、第１照明レンズ１５、偏光変換装置１６からなる照明装置から射出される白色光を、第５実施形態で示したレンズ１７−１を経て、色分解光学系２３、偏向ミラー２４、２５を経て各色光用のレンズ１７−２Ｒ、１７−２Ｇ、１７−２Ｂによって反射型ライトバルブ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂに導く構成である。
照明の方式は第５実施形態と同じである。第１実施形態の第２照明レンズ１７をレンズ１７−１とレンズ１７−２に置き換えることによって、レンズ１７−１とレンズ１７−２を距離ｄだけ離すことができ、この間に各種の光学部材を配置することができる。本実施形態では、ここに色分解光学系を配置する。
【００３０】
本実施形態における色分解光学系は、Ｒ光とＧ光とを反射し、Ｂ光を透過するダイクロイックミラー２３ＲＧと、Ｂ光を反射し、Ｒ光とＧ光とを透過するダイクロイックミラー２３Ｂとを互いに直交して配置したクロスダイクロイックミラー２３と、クロスダイクロイックミラー２３から互いに反対方向に進行するＲ光とＧ光との混合光と、Ｂ光とをそれぞれ反射する偏向ミラー２５、２４と、Ｒ光とＧ光との混合光をＲ光とＧ光とに色分解するＧ光を反射し、Ｒ光を透過するダイクロイックミラー２６とから構成される。色分解光学系によって色分解されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光は各色光毎に配置された偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射し、偏光分離部で反射され、各色光毎に配置された反射型ライトバルブ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂに入射する。各色光は、反射型ライトバルブ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂでそれぞれの色信号で変調され、反射射出し、再度偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射する。偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂで透過する変調光を検光光として取りだし、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２２に異なる入射面から入射する。色合成された光は、投射レンズ１９に入射し、スクリーン上に投射される。
【００３１】
投射レンズ１９は反射型ライトバルブ側にテレセントリックに構成されており、投射レンズ１９とレンズ１７−２Ｒ、１７−２Ｇ、１７−２Ｂの間の色合成光学系、偏光ビームスプリッタ、反射型ライトバルブは主光線がテレセントリックな位置に配置されている。第５実施形態と同様に光源１１、レンズアレイ１２、集光レンズ１３、ロッドインテグレータ１４、第１照明レンズ１５、偏光分離光学系１６、レンズ１７−１、レンズ１７−２Ｒ、１７−２Ｇ、１７−２Ｂを使用するので、各色光用のライトバルブへの均一な照明が可能となる。また各色光用のライトバルブからの変調光の検光と、検光光の色合成がテレセントリックな位置で行われることにより、ムラのない均一な投射像が達成できる。
【００３２】
本実施形態では反射型ライトルブを使用しているが、透過型ライトバルブを使用しても構わない。その場合は偏光ビームスプリッタ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは必要ない。レンズ１７−１と１７−２の間に色分解光学系を配置し、各ライトバルブの入射面の前にレンズ１７−２Ｒ、１７−２Ｇ、１７−２Ｂを配置すればよい。
第１〜第６の実施形態では、使用する固体発光素子として発光ダイオードを使用し、偏光性が無いランダム偏光の各色光が射出されている。そのため実施形態では、偏光変換装置を使用して直線偏光に変換しているが、固体発光素子として半導体レーザーの様に直線偏光を射出する光源を使用する場合には、偏光変換装置は必要ない。
【００３３】
さらに各発光ダイオードからの光は、各発光ダイオードに対応して配置された個々のレンズからなるレンズアレイに入射してほぼ平行な光束になるが、例えば「砲弾型」と呼ばれている発光ダイオードのように、固体発光素子の射出部分にあらかじめレンズが配置された構成である場合には、レンズアレイは必要ない。射出部にあらかじめ配置されたレンズは、上記実施形態においてレンズアレイとして平面的に配置された個々のレンズと同様な働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１実施形態の投射型表示装置の構成図
【図２】偏光変換装置の近傍に形成される光源光点の配置図
【図３】ロッドインテグレータ、第１照明レンズ、偏光変換装置の斜視構成図
【図４】第２実施形態の投射型表示装置の構成図
【図５】第３実施形態の投射型表示装置の構成図
【図６】第４実施形態の投射型表示装置の構成図
【図７】第５実施形態の投射型表示装置の構成図
【図８】第６実施形態の投射型表示装置の構成図
【符号の説明】
【００３５】
１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ  照明装置
８  反射型ライトバルブ
１１  光源
１２  レンズアレイ
１３  集光レンズ
１４  ロッドインテグレータ
１５  第１照明レンズ
１６  偏光変換装置
１６Ｐ  偏光分離部
１６Ｒ  反射層
１６Ｗ  １／２波長位相板
１７  第２照明レンズ
１７−１、１７−２  第２照明レンズを構成するレンズ
１８  ライトバルブ
１８Ｔ  透過型ライトバルブ
１９  投射レンズ
２０  時系列色分解光学系
２１、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ  偏光ビームスプリッタ
２２  クロスダイクロイックプリズム
２２Ｒ、２２Ｂ  ダイクロイック膜
２３  クロスダイクロイックミラー
２３Ｒ、２３Ｂ、２６  ダイクロイックミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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